프로젝트

원자 하나로 만든 비트

주사터널링현미경(STM)의 활용

철 원자 하나로 만든 양자 센서

양자나노과학연구단 연구진은 IBM 알마덴연구소와의 공동연구로 철 원자를 이용해 양자 센서를 만들었습니다. 이 양자 센서를 이용하면 주변 자성 원자의 미세한 자기장을 감지할 수 있습니다. 이제껏 기존의 주사터널링현미경(STM)으로 는 이러한 측정을 할 수 없었습니다.
최근 이 공동연구진은 주사터널링현미경(STM)으로 단일 스핀의 양자역학적 성질을 확인하는 전자스핀공명 측정 방법을 개발했습니다. 이 획기적인 측정법을 활용한 첫 사례가 바로 이번 양자 센서 연구입니다. 논문의 제1첫 저자인 최태영 연구위원은 “이 양자 센서는 원자 단위의 공간 분해능을 가지고 있기 때문에, 복잡한 분자의 스핀을 측정하는 데 쓰일 수 있다. 이것은 마치 나노미터 스케일의 GPS와 비슷하다”고 밝혔습니다.

주사터널링현미경(STM)

주사터널링현미경(STM)의 개념은 비교적 단순하지만 놀라운 기능들을 가지고 있습니다. 주사터널링현미경(STM)은 굉장히 뾰족한 금속 탐침(팁)을 물질(샘플)에 매우 가까이 접근시켜 그 물질 표면의 이미지를 보여줍니다. 팁의 끝과 샘플 사이의 간격은 1 nm 정도입니다. 1 nm는 대부분의 고체에서 고작 4개 정도의 원자들이 차지하는 거리입니다. 이렇게까지 가깝기 때문에 전자가 팁에서 샘플로 또는 반대로 이동할 수 있습니다. 이 양자역학 현상을 양자터널링이라고 부릅니다. 팁과 샘플 사이에 약한 전압을 걸어 주면 우리가 측정할 수 있는 전류가 흐르는데. 이 전류는 거리에 극도로 민감합니다. 예를 들어 1 nm에서 1.1 nm로 멀어질 때 전류 크기가 10분의 1로 줄어들기 때문에 거리의 변화를 알 수 있습니다.

양자나노과학연구단은 주사터널링현미경(STM)을 표면의 이미지를 보는 데만 사용하지 않습니다. 원자들을 원하는 배열대로 움직이는 일에도 활용합니다. 덕분에 극도의 정밀함으로 나노 스케일의 구조물들을 만들 수 있습니다. 마지막으로, 이러한 구조물 또는 시스템의 전자기적 성질을 연구하기 위해 매우 높은 에너지 분해능으로 측정 합니다.